CN104764522B - 一种超声功率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声功率测量方法及装置，应用于声功率测量领域，该超声功率测量方法通过将待测连续超声波信号垂直通过一压电转换单元，并将待测连续超声波信号转成一个呈正弦变化的压电信号，接着再计算得到压电信号的最大幅值，并依据该最大幅值来计算出待测连续超声波信号对应的超声功率值；另外，该超声功率测量装置主要包括将待测连续超声波信号转成一个呈正弦变化的压电信号的压电转换单元和接收压电信号并计算其最大幅值以依据该最大幅值来计算出待测连续超声波信号对应超声功率值的计算处理单元。本发明通过压电转换待测超声波信号的方法来测量声功率，避免了现有声功率测量技术中无法排除回波干扰而导致测量结果不准确的问题。

Description

一种超声功率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及机械振动的测量领域，主要是指对超声波信号进行相关参数的测量，更加具体地来讲，尤其是涉及一种超声功率测量方法及装置。

背景技术

超声波的声功率测量很大程度上决定了超声换能器的应用范围和应用方式，并且作为超声波的最重要指标之一，超声波的声功率的测量也可以通过相应的测量设备来予以快速实现。

现在的声功率测量主要是采用超声辐射力方法进行检测，为此，需要在超声波的传输方向上放置一块比超声波口径大的靶，使用微量天平检测超声换能器的声波在目标上产生的辐射压力大小而确定超声波的功率，基于这种原理进行检测的方式有两种，吸收靶方式和反射靶方式。吸收靶方式的靶材料为超声强吸收材料，它通过微量天平测量吸收超声波产生的辐射力确定换能器的声功率，由于吸收产生的辐射力不但决定于换能器本身发射的声功率，也决定于靶的吸收系数，而目前靶材料的吸收系数难以控制，其随环境和时间变化，这种方式测量的声功率不但准确度不高，而且数值也不稳定。由于材料的反射系数比吸收系数容易控制，也相对稳定，目前使用最多的检测方式是反射靶方式，由于反射靶方式会将入射到靶上的超声波反射回超声换能器，使换能器发射的超声波声功率发生变化，不再是在自由空间辐射的声功率，因此将影响测量的准确性，为此，人们将平面反射靶改成尖锥靶，使反射波沿侧面传播，从而避免干扰换能器的超声波发射，然而，由于反射超声波产生的辐射力与反射角有关，这种测量要求超声波是沿轴线对称的，而且使用时换能器的声轴必须与靶的圆锥轴重合，由于一般换能器的声场对称性并不能保证，这种方式不但测量方法复杂，而且，测量准确性也不高。

总的来讲，现有的声功率测量设备或产品，其在测量声功率的方法上都存在着较大的误差或不足，如何改进现有声功率测量方法或者测量设备使其具有更高的精确度就成了本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声功率测量方法及装置，用于解决现有连续超声波声功率测量中由于回波干扰而导致声功率测量结果不准确的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下解决方案：

一种超声功率测量方法，至少包括以下步骤：输入一待测连续超声波信号；将所述待测连续超声波信号垂直通过一压电转换单元，并由所述压电转换单元对所述待测连续超声波信号进行转换并予以输出一包括受到由压电转换单元反射形成回波干扰前后的并与所述连续超声波信号对应的压电信号；接收所述压电信号并获取所述待测连续超声波信号受回波干扰前所对应的压电信号的最大振幅值，并予以输出；依据所述最大振幅值计算得到所述待测连续超声波信号对应的声功率值，并予以输出。

作为上述超声功率测量方法的优选方案，于输出所述压电信号步骤和依据所述压电信号输出所述最大振幅值步骤之间，还包括一对所述压电信号进行放大滤波的步骤。其中，所述放大滤波的步骤具体包括：接收压电转换单元输出的压电信号并将其进行一次放大后予以输出；对经一次放大后输出的压电信号进行滤波处理以滤除其中的噪声干扰信号并予以输出；将经滤波处理输出的压电信号进行二次放大，以输出得到适于处理的模拟放大压电信号。

另外，在上述超声功率测量方法的基础上，本发明还提供了一种用于实现上述方法的超声功率测量装置，该超声功率测量装置至少包括：压电转换单元，用于供输入的待测连续超声波信号垂直通过并由所述压电转换单元对所述待测连续超声波信号进行转换，且予以输出一包括受到由压电转换单元反射形成回波干扰前后的并与所述连续超声波信号对应的压电信号；计算处理单元，用于接收所述压电信号并获取所述待测连续超声波信号受回波干扰前所对应的压电信号的最大振幅值，并依据所述最大振幅值计算得到所述待测连续超声波信号对应的声功率值。

作为上述超声功率测量装置的优选方案，还包括一预处理单元，用于接收所述压电信号并对其进行滤波和放大处理，以输出一适于处理的模拟放大压电信号。其中，所述预处理但与具体包括：第一放大电路模块，连接于所述压电转换单元，用于将所述压电转换单元高输出阻抗转换为低输出阻抗，并将输出的压电信号进行一次放大后予以输出；滤波电路模块，用于对经一次放大后输出的压电信号进行滤波处理以滤除其中的噪声干扰信号并予以输出；第二放大电路模块，将经滤波电路模块处理输出的压电信号进行二次放大，以输出得到适于处理的模拟放大压电信号。

如上所述，本发明的具有以下有益效果：本发明实现了在回波干扰发生前检测超声换能器的声功率，可以避免回波干扰造成的检测误差，通过将换能片置于声场中，接收声场作用在其表面上的辐射力，由于压电效应，换能片受辐射力作用后产生电极化，换能片又把超声波反射回去，对往换能片发射的超声波形成的作用力造成一定的阻碍，如此循环往复，逐渐减弱了作用在压电陶瓷片上的辐射力，从而得到能够表征换能器声功率的一个呈正弦变化的电压分布，然后，取电压分布的最大值，即对应着回波干扰发生前的声功率，避免了反射波的干扰对检测造成的误差，从而提高了检测的精确度。

附图说明

图1为本发明中向压电材料发射超声波信号的示意图。

图2为压电材料将超声波信号转换成压电信号后的输出信号图。

图3为本发明提供的一种超声功率测量方法实现流程图。

图4为本发明一种超声功率测量方法中对压电信号进行放大滤波的实现流程图。

图5为本发明提供的一种超声功率测量装置的原理图。

图6为本发明中加设有预处理单元的超声功率测量装置原理图。

图7为图6中所述预处理单元的具体原理图。

图8为图7中各组成模块的具体电路结构示意图。

附图标号说明

10 压电转换单元

20 计算处理单元

30 预处理单元

301 第一放大电路模块

302 滤波电路模块

303 第二放大电路模块

40 A/D转换模块

S 超声波信号

S’ 反射波

S10-S70 方法步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

除了在背景技术中所提到的，现有超声波声功率检测方法上所存在的不足外，本领域技术人员也试图通过新的测量方案来克服现有技术中的不足。具体地，在很多超声检测仪器中，都采用材料的压电性质检测超声波的强度，如B超，它的好处是直接检测压电材料的电信号，避免了天平检测带来的问题，为此，有些人将压电材料作为检测靶，希望通过检测压电材料两侧产生的电压确定换能器反射的声功率，但由于压电材料一般都是强反射材料，实验证明，该方法可用于发射脉冲很短的声功率检测，如B超，却无法实现对连续超声波信号的准确测量，如果使用现有的方法或者装置来进行连续超声波信号的声功率，其与实际值的误差较大。这是由于连续发射超声波的换能器，其不可避免地收到反射回波的干扰，从而影响超声功率的检测，这是现有方法或者装置一直未成功得用于连续超声换能器声功率检测原因。

请参见图1，示出了向压电材料发射超声波信号的示意图，由于超声波是以一定速度传播的声波，检测用的压电材料M产生的反射波S’(即回波干扰)对换能器发射超声波S的影响并不是瞬时的，而是有一个时间延迟，经过长期的实验发现：利用反射波S’的延迟效应实际上可以很好的排除反射波干扰，得到准确的换能器声功率。再参考图1并结合图2，换能器S发射的超声波经过一段时间后，才打到压电材料靶M上，在材料上产生压电信号，由于材料的响应时间很快，其压电信号的振幅很快上升到最大值，如图2的第一峰值段t1。压电材料接收到超声波后，将向发射换能器发射反射波，在反射波达到换能器前，超声换能器发射功率不会变化，这段时间换能器发射的声波是稳定的，它在压电材料上产生的压电信号振幅可维持一段时间不变，如图2中第二段t2。这时压电信号的振幅准确的反应了超声换能器辐射的声功率(向自由空间辐射的声功率)，但是，当压电材料的反射声波到达换能器时，将对换能器施加一个力，在这个力作用下，超声换能器的发射功率将降低(自由空间辐射的声功率)，这种超声波传输到压电材料时，产生的压电信号振幅将降低，如图2中第三段t3。由于到达压电片的声功率降低，使得压电片的反射声波也降低，它作用在换能器上的力降低，又使换能器发射功率得到恢复，恢复后的声波到达压电片后，将又使压电片的压电信号增加，如图2中第四段t4。压电材料上的反射波强度反复变化，使得压电材料的电信号幅度不断起伏。但是，从压电材料的电信号变化过程表明：压电信号在测量开始后的第二段的振幅，忠实地反映了换能器在向自由空间辐射的超声波的功率，它的数值越大，换能器的声功率越大，因此，只要确定压电信号在第二段的振幅值，就能得到超声换能器向自由空间辐射的声功率。

为此，更加前述的实验结果，本发明提供一种超声功率测量方法，用于测量连续超声换能器所输出超声波的声功率，具体方案请参见下面的实施例。

实施例1

请参阅图3，示出了本发明提供的一种超声功率测量方法实现流程图，如图3所示，所述方法主要包括以下步骤：

步骤S10，输入一待测连续超声波信号；

步骤S30，将所述待测连续超声波信号垂直通过一压电转换单元，并由所述压电转换单元对所述待测连续超声波信号进行转换并予以输出一包括受到由压电转换单元反射形成回波干扰前后的并与所述连续超声波信号对应的压电信号；

步骤S50，接收所述压电信号并获取所述待测连续超声波信号受回波干扰前所对应的压电信号的最大振幅值，并予以输出；

步骤S70，依据所述最大振幅值计算得到所述待测连续超声波信号对应的声功率值，并予以输出。

通过上述测量方法可以上述测量方法有效地避免了回波干扰对于输入待测连续超声波信号的影响，使计算声功率的电压参数值更加准确，更接近实际值，从而取得了意想不到的测量结果。

具体地，在步骤S10中所输入的待测超声波信号为一连续超声波信号，这是由于现有技术中无法实现对于连续超声波信号的精确测量，但应当理解所输入的待测超声波信号也可以是非连续性的超声波信号，例如现有技术中的B超信号。

具体地，在步骤S30中，所述压电转换单元为压电材料，例如可以采用压电陶瓷片。用于压电材料可以实现很好地压电转化效果，从而避免了现有采用吸声材料来作为吸收靶的测量方式对于吸收效率不容易控制、以及在材料的选择上较为困难的问题。

具体地，在步骤S50中，接收所述压电信号并获取所述待测连续超声波信号受回波干扰前所对应的压电信号的最大振幅值的方法是通过获取模拟连续信号中最大值的方法一致，由于本领域技术人员参考上述技术描述，完全可以知晓如何来实现最大幅值的获取，故此处不再进一步阐述说明。

进一步地，参见图4，为了使得更好地测得压电信号中的最大幅值，在步骤S30和步骤S50之间还包括一对所述压电信号进行放大滤波的步骤S20，具体包括：

步骤S201，接收压电转换单元输出的压电信号并将其进行一次放大后予以输出；

步骤S202，对经一次放大后输出的压电信号进行滤波处理以滤除其中的噪声干扰信号并予以输出；

步骤S203，将经滤波处理输出的压电信号进行二次放大，以输出得到适于处理的模拟放大压电信号。

具体地，在步骤S70中，根据所测得的最大幅值来求得声功率值，所依据的是声功率和压电信号压值之间的线性关系，例如，由于所测的压电信号越强，对应的声功率就越强，可以通过其他的声功率检测手段优先获得被测换能器输出超声波信号的声功率，结合本发明对应的压电信号输出的最大电压值，实现系统参数的标定，然后通过比例换算来获得本发明所测得的声功率值。

实施例2

具体了，为了更好地将上述测量方法付诸实施，下面还提供了一种用于实施上述种超声功率测量方法的测量装置的示例，请参见图5，本发明提供了一种超声功率测量装置，包括：

压电转换单元10，用于供输入的待测连续超声波信号S垂直通过并由所述压电转换单元10对所述待测连续超声波信号S进行转换，且予以输出一包括受到由压电转换单元10反射形成回波干扰前后的并与所述连续超声波信号S对应的压电信号；

计算处理单元20，用于接收所述压电信号并获取所述待测连续超声波信号S受回波干扰前所对应的压电信号的最大振幅值，并依据所述最大振幅值计算得到所述待测连续超声波信号S对应的声功率值。

具体地，上述超声功率测量装置中，所述压电转换单元10具体可以采用压电复合材料，比如压电陶瓷片等，更优地，还可以设置一显示单元，用于显示所述计算处理模块的计算结果或/输出结果。

进一步地，请参见图6，作为上述超声功率测量装置的优选方案，还可以在压电转换单元10和计算处理单元20之间设置一预处理单元30，用于对所述压电信号进行预处理，这是因为由压电转换单元10输出的压电信号较为微弱，而且是模拟信号，从而不利于对压电信号的进一步处理。所述预处理单元30用于对所述压电信号进行滤波和放大处理，以输出一适于处理的模拟放大压电信号。

具体地，再结合图7，所述预处理单元30具体包括第一放大电路模块301、滤波电路模块302及第二放大电路模块303，其中，所述第一放大电路模块301用于接收压电转换单元10输出的压电信号并将其进行一次放大后予以输出；所述滤波电路模块302连接所述第一放大电路模块301，用于对经一次放大后输出的压电信号进行滤波处理以滤除其中的噪声干扰信号并予以输出；所述第二放大电路模块303连接所述滤波电路模块302，用于对经滤波处理输出的压电信号进行二次放大，以输出得到适于处理的模拟放大压电信号。

更具体地，请参见图8，给出了所述预处理单元30中各模块的具体电路实施示例，如图8所示，所述第一放大电路模块301由电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2及电阻R4和放大器A1构成，所述电容C1和由压电转换单元10(图中采用压电陶瓷片为例予以说明)两端引出的两电极相串联并形成第一节点和第二节点，电阻R1、电容C2、电阻R2及电容C3依次并联连接于所述第一节点和第二节点之间，且所述第一节点连接于放大器A1输入端的正极，所述第二节点连接于放大器A1的输出端，所述电阻R3和电阻R4依次串联连接于放大器A1输出端与第二节点之间，放大器A1输入端的负极连接于电阻3和电阻R4之间的两相上；另外，所述滤波电路模块302为一带通滤波器B，所述带通滤波器B的输入端依次连接于所述放大器A1的输出端和第二节点；所述第二放大电路模块303为一差分放大器A2，所述差分放大器A2输入端的正极连接为带通滤波器的滤波电路模块302的输出端，所述差分放大器A2输入端的负极连接所述第二节点，所述第二节点同时接地，由所述差分放大器A2输入端作为预处理单元30的输出端，并由其输出所述模拟放大压电信号。

在上述预处理模块中，第一放大电路模块301用于将所述换能片的高输出阻抗转换为低输出阻抗，且将所述压电信号进行一次放大；而设置于所述第一放大电路模块301的输出端的带通滤波电路模块302用于对经所述第一放大电路模块301一次放大后输出的压电信号进行噪声滤波处理以输出一有效频段的压电信号；而连接于所述带通滤波器的输出端的第一放大电路模块301用于接收所述有效频段的压电信号并将其进行二次放大，以输出一适于可调处理的模拟压电信号。

具体地，在上述超声功率测量装置中，还可以优选设置有一A/D转换模块40，该A/D转换模块40连接于所述预处理模块或者设置于所述计算处理模块中，用于将所述模拟压电信号转换成数字压电信号，并予以输出，以供后面的计算处理模块进行相应的最大幅值计算和声功率值计算。应当理解的是，所述计算处理模块为微型计算机(或者微型计算机芯片MCU)，例如，单片机、ARM或者DSP等，一般地，现有的微型计算机芯片中一般也集成有A/D转换模块40，故所述A/D转换模块40也可以设置于计算处理模块中。而且，通过上述相关技术方案的描述以后，利用微型计算机来实现数字信号的最大幅值计算和相关线性关系计算是本领域技术人员完全可以自由实现，故这里不再赘述。

综上所述，本发明通过压电陶瓷片来接收超声换能器发射的待测超声波信号S在传播过程中产生的声辐射力，作用于陶瓷片后产生正弦变化的电压信号，经过预处理单元30进行电压放大以及滤波处理后，再A/D转换生成数字电压信号，存储到微型计算机中进行逐次比较获得数字电压信号中的最大电压值，从而实现了回波干扰前对压电信号的采集，并经过数值换算后可以得到确切的声功率值，从而实现了超声换能器的声功率检测。其中，由于所测的压电信号越强，对应的声功率就越强，可以通过其他的声功率检测手段优先获得被测换能器的声功率，结合本发明对应的压电信号输出的最大电压值，实现系统参数的标定，然后通过比例换算来获得本发明所测得的声功率值。本发明相比现有其他声功率检测手段，可以避免反射声波对声场干扰造成的检测误差，提高了精确度，并且该检测技术操作简单，重复性强。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种超声功率测量方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

输入一待测连续超声波信号；

将所述待测连续超声波信号垂直通过一压电转换单元，并由所述压电转换单元对所述待测连续超声波信号进行转换并予以输出一包括受到由压电转换单元反射形成回波干扰前后的并与所述连续超声波信号对应的压电信号；

接收所述压电信号并获取所述待测连续超声波信号受回波干扰前所对应的压电信号的最大振幅值，并予以输出；

依据所述最大振幅值计算得到所述待测连续超声波信号对应的声功率值，并予以输出。

2.根据权利要求1所述的超声功率测量方法，其特征在于，于输出所述压电信号步骤和依据所述压电信号输出所述最大振幅值步骤之间，还包括一对所述压电信号进行放大滤波的步骤。

3.根据权利要求2所述的超声功率测量方法，其特征在于，对所述压电信号进行放大滤波的步骤具体包括：

接收压电转换单元输出的压电信号并将其进行一次放大后予以输出；

对经一次放大后输出的压电信号进行滤波处理以滤除其中的噪声干扰信号并予以输出；

将经滤波处理输出的压电信号进行二次放大，以输出得到适于处理的模拟放大压电信号。

4.一种超声功率测量装置，其特征在于，至少包括：

压电转换单元，用于供输入的待测连续超声波信号垂直通过并由所述压电转换单元对所述待测连续超声波信号进行转换，且予以输出一包括受到由压电转换单元反射形成回波干扰前后的并与所述连续超声波信号对应的压电信号；

计算处理单元，用于接收所述压电信号并获取所述待测连续超声波信号受回波干扰前所对应的压电信号的最大振幅值，并依据所述最大振幅值计算得到所述待测连续超声波信号对应的声功率值。

5.根据权利要求4所述的超声功率测量装置，其特征在于，还包括一预处理单元，用于接收所述压电信号并对其进行滤波和放大处理，以输出一适于处理的模拟放大压电信号。

6.根据权利要求5所述的超声功率测量装置，其特征在于，所述预处理单元具体包括：

第一放大电路模块，连接于所述压电转换单元，用于将所述压电转换单元高输出阻抗转换为低输出阻抗，并将输出的压电信号进行一次放大后予以输出；

滤波电路模块，用于对经一次放大后输出的压电信号进行滤波处理以滤除其中的噪声干扰信号并予以输出；

第二放大电路模块，将经滤波电路模块处理输出的压电信号进行二次放大，以输出得到适于处理的模拟放大压电信号。

7.根据权利要求6所述的超声功率测量装置，其特征在于，还包括一A/D转换模块，设置连接于所述预处理模块和计算处理模块之间，用于将所述模拟压电信号转换成数字压电信号并予以输出。

8.根据权利要求7所述的超声功率测量装置，其特征在于，所述计算处理模块中还设有一供将所述压电信号转换成数字压电信号的A/D转换模块。

9.根据权利要求8所述的超声功率测量装置，其特征在于，还包括一显示模块，用于显示所述计算处理模块的计算结果或/输出结果。

10.根据权利要求4-9任一项所述的超声功率测量装置，其特征在于，所述压电转换单元为一压电陶瓷片。